高中物理 原子核的裂变
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第1页 共3页 原子核的裂变
【认知目标】
1、 理解原子核平均结合能曲线，知道释放核能的两条途径——重核裂变和氢核聚变
2、知道铀核裂变的条件及其链式反应的原理
3、了解核反应堆和核电站的基本原理
【方法与过程目标】
经历应用已有物理知识解决未知现象的学习思想过程，学习研究微观物理现象的基本方法。
【情感目标】
进一步认识自然科学的对人类社会的伟大贡献，增强对物理学研究的信心。
【学法设计】在老师的引导下，通过阅读教材、积极思考领会本节的知识和方法。
【教学过程】
复习与引入
前面我们学习爱因斯坦质能方程、核力以及核能的有关知识，下面请同学们回答两个问题：
1、 质能方程的公式及其意义
2、 什么是原子核的结合能和平均结合能？它与原子核的稳定性有什么关系？
（学生回答后，老师加以点评）今天我们学习利用核能的方法。
一、利用核能的途径
要利用核能，就是要通过原子核反应释放出能量。
启发：同学们，核反应前物质的核子数和反应后的核子数有什么关系？
学生：相等。
继续启发：要实现反应中放出能量，则核反应后核子平均结合能和反应前的核子平均结合能相比应发生什么变化？ 为什么？
学生：变大。（此处学生如果回答不正确，则使学生做简单讨论）
介绍：科学家们经过定量研究，发现组成各种元素的核子平均结合能不尽相同，而且已经得出各种元素的核子平均结合能曲线（见教材），为我们成功利用核能提供了重要的基础。请同学们阅读这个图象并与同桌讨论回答以下问题（学生讨论约时间为5分钟）：
1、 根据图象的两个坐标轴，说明这个图象的意义。(不同元素的核子平均结合能随原子序数的变化规律)
2、 图中哪些元素的核子平均结合能较小，哪些元素的核子平均结合能较大？（平均结合能较小的是轻核元素和重核元素，平均结合能较大的是中等元素。）
3、 如果要通过核反应释放出能量，应使哪些元素发生何种反应？（可以有两个途径：使轻核元素发生聚变、使重核元素发生分裂，只要能使平均结合能变大就可以。）
4、 根据你所学过的物理知识，你认为这个图象是用什么方法测得的？（此题可以有多种答案，只要能说明理由就可以，参与答案为测量各原子核的质量，与核子质量做比较，利用质能方程计算。）
根据学生的回答讲解以上问题，并总结：利用核能的两大途径：轻核聚变和重核裂变。
本节，我们先介绍的是重核的裂变。
二、铀核的裂变
（从核子平均结合能曲线可以看出）虽然原子序数大于26（铁）的原子核都能裂变产生核能，但曲线的平缓部分，由于结合能的差别很小，释放的核能肯定是非常有限的。故平均结合能越小的元素，释放的能量越多——人们找到了铀核和钚，最常用的是铀。下面大家阅
第2页 共3页 读教材上铀的裂变部分，注意回答以下问题：
1、 铀核发生裂变反应的条件是什么？（受到中子的“轰击”）
2、 铀的裂变反应产物是否唯一确定？典型的反应方程式是什么？方程两边都有中子，是否可以抵消？（裂变产物不是唯一确定的，是多种多样的；最典型的反应方程式是 23592U+10n→14156aB+9236rK+310n；方程两边的中子不可以抵消，左边的中子表示裂变反应需要受到中子的“轰击”，并且中子先被铀核吸收才能发生裂变，右边的三个中子表示裂变反应的产物。）
3、 已知 27u27Ba27Kr27nm390.313910kgm234.001610kgm152.604710kgm1.674910kg 如何计算一个铀核发生裂变反应放出的热量？1kg铀完全裂变，能释放出多少能量？（根据方程计算反应过程中的“质量亏损”，再由质能方程计算 Δm ＝(mu + mn)－(mBa + mKr + 3mn)= 0.3578×10－27kg ，ΔE = ΔmC2
= 201MeV，1kg铀完全裂变，释放的核能为：ΔE′ =molmMNAΔE =1000235×6.02×1023×2.01×108 = 5.15×1032eV = 8.24×1013J）
4、 链式反应是如何实现的？（反应中释放的中子又引起其它铀核的裂变，造成反应可以持续进行下去。）
老师根据学生的回答情况对各个问题加以补充解释或点评。其中第2个问题中加入介绍：我国物理学家钱三强、何泽慧夫妇1946年在巴黎首次发现了铀的三分裂和四分裂。但是，铀的的三分裂和四分裂概率是相当小的。问题3中加入裂变能与煤的燃烧放能的比较。
三、核电站
单个原子核的裂变产生的能量很少，但如果大量的原子核在短时间内集中发生裂变，放出的能量就会产生极大的破坏力，这就是原子弹；我们要想和平地利用核能，就必须想办法控制发生裂变的原子核的数量，使原子核能够连续、缓慢地发生裂变，这就是被广泛应用于核电站、核潜艇等方面的核反应堆。下面我们以核电站为例，学习如何使控制裂变核的数量。
1、核反应堆：能够有效控制反应个数的装置叫核反应堆。
2、快中子、慢中子和减速剂：研究发现，铀裂变方程的左边事实上要求的中子的速度不能很大，称为“慢中子”，而右边生成的中子速度却是很大的，称为“快中子”。因此要保证链式反应顺畅进行，就必须将中子减速。负责此项工作的物质有石墨、重水或普通水，称为“减速剂”。
在核反应堆的示意图中，黑色的立方块（石墨）就是减速剂。同学们想，减速剂的作用是“减慢”了铀的裂变呢，还是“加快”了铀的裂变？ 学生：加速。
3、 根据裂变反应方程和链式反应的发生条件，请大家分析：应如何控制裂变核的数量？
引导学生回答：维持慢中子与铀核的碰撞机会在一个合适的水平上，具体有两种方法：（1）减少控制铀与减速剂的接触面，（2）减少中子数。
对照教材上的核反应堆示意图，观察铀棒和镉棒的调节作用：控制燃料棒——铀棒——和减速剂的位置关系，就可以控制反应速度。图中横向的棒就是铀棒，它在石墨中的深度是可以调节的。除此之外，人们在设置了另外一种吸收中子的介质——镉，图中，纵向的棒就是镉棒，它在石墨中的深度也可以调节：插入较深时，它吸收的中子多，铀棒吸收中子的
第3页 共3页 概率就小了，裂变反应就随之变慢；反之，镉棒插入较浅，反应就较快。
4、核能如何转变成电能
对照教材上核电站的结构图介绍能的转化过程：电能机械能内能核能发电机热机核反应
5、核能利用的成本和前景
“燃料”开采状况（是煤和石油的15倍左右）、燃料利用状况（只用到铀235的0.7%左右）和改进状况（增殖反应堆的研究）、废料处理的难度。
四、小结
本节课我们从结合能的改变的可能性为出发，介绍了两种利用核能的途径，并介绍了重核裂变的方程与“反应速度”的控制以及对核能利用――――核电站的工作原理。
五、作业布置
1、 教材上的课后练习
2、 查找并阅读有关第二代增殖反应堆的工作原理和研究进展的资料。
2．评析（根据具体情况可以多举例说明）
结合课程标准提出的三维培养目标、课程基本理念和内容标准等对案例进行客观评析，指出案例的可借鉴或需改进之处，最好提出如何改进的建议。（为了做好教学示范，也可提供一些有问题的典型案例，从改进的角度出发分析这些案例。当然对于这类案例最好不注明案例提供者）
这节课在内容设计方面，符合课程标准中内容标准的要求；在教法、学法设计上采用了学生讨论、阅读、回答问题、听教师讲评等学习方式，学生活动比较充分，体现了学生在课堂上的学习主体作用；教师较少地采用直接讲授的教学方法，改用引导学生思考、学习的教学思路，使师生之间产生有效互动，体现当前对课堂教学的基本要求。在教学目标设计上体现了课程标准提出的三维培养目标的要求，教学活动设计中能较好地将三维培养目标整合起来，如在利用核能的途径部分，用问题的形式引导学生从核子数――平均结合能的图象上获取信息，并从不同核的核子平均结合能能的不同推断出利用核能的途径，对培养学生的物理学科能力和自主学习能力有较好的效果；裂变能与煤的燃烧放能的比较对学生的科学情感有正面作用；引导学生根据理论寻找核反应速度控制的方法，则体现了知识与技术的结合。
